CN113194272A - 一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路 - Google Patents

一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，该大动态范围读出电路通过对获取的光电流进行预判，得到预判电压；当预判电压大于预设临界电压，则根据预判电压确定补偿电流的大小并将补偿电流注入大动态范围读出电路，实现较大范围的光电流积分，提高读出电路的动态范围。

Description

一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路。
背景技术
对于光电探测器，其读出电路通常离不开对产生的光电流的积分读出，通常的方法为通过积分电路将其光电流直接进行积分，之后将其积分电压输出或进行模数转换。在实际应用中，光电探测器的光电流通常为nA级，但对诸如有机探测器等输出光电流范围较大的探测器，其光电流大小可达μA级甚至更高，普通读出电路难以处理如此大范围电流。而由于集成电路的集成度越来越高，集成电容的面积受到了限制，难以通过提高电容值来实现较大范围(μA级甚至更高)的光电流的积分读出，限值了读出电路的性能，也间接影响了读出电路后端的成像或处理单元的性能。另外，由于电路总面积的限制，像元阵列规模的不断增大，导致了单个像元尺寸的不断减小，使得电容的尺寸被进一步压缩，但传感器在不同的工作环境下产生的光电流的变化相差很多，如果读出电路的动态范围太小，将会严重限制传感器在不同工作场景下的应用，所以有必要在不增加电容数量的情况下扩大读出电路的动态范围，而目前的读出电路显然无法实现这一点。
发明内容
本发明要解决的技术问题现有的读出电路动态范围较小，无法实现较大范围的光电流的积分读出，因此，本发明提供一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，通过补偿电路对不同光电流进行合适的补偿，以实现对μA级甚至更高的光电流的正确积分，避免光电流过大时出现积分饱和现象，提高读出电路对较大范围的光电流的处理能力，提高读出电路的动态范围。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，包括：
对获取的光电流进行预判，得到预判电压；预判的光电流越大，得到的预判电压越大；
当所述预判电压大于预设临界电压，则确定所述预判电压对应的预设临界电压范围，并根据所述预判电压范围确定对应的补偿电流的大小，然后按照所述补偿电流的大小对所述大动态范围读出电路注入补偿电流，实现较大范围的光电流积分。
进一步地，所述大动态范围读出电路包括预判积分电路、量化比较电路和电流补偿电路；
所述预判积分电路工作在预判状态，将光电流转换为电压作为预判电压，预判工作结束；
所述量化比较电路接收所述预判积分电路发送的预判电压后，对所述预判电压进行量化处理，确定所述预判电压对应的电压范围并作为量化结果输出；
所述电流补偿电路，获取所述量化比较电路输出的量化结果，并根据所述量化结果确定补偿电流的大小；将所述补偿电流注入到所述预判积分电路中；
所述预判积分电路进入积分状态，并对光电流与补偿电流进行完全积分，获取积分结果输出。
进一步地，所述预判积分电路包括运算放大器、积分电容、预判电容、复位开关和积分开关；
所述积分电容串联积分开关后与所述预判电容并联，并联之后与所述复位开关并联并连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端，所述输出端连接至所述量化比较电路上；所述运算放大器的同相输入端接入偏置电压，所述运算放大器的反相输入端连接至光电探测器上。
进一步地，所述量化比较电路包括电流镜阵列和基准电流源，所述电流补偿电路包括n个锁存比较器；所述基准电流源与所述电流镜阵列连接；所述电流镜阵列包括n条支路，每条支路上连接一个锁存比较器。
进一步地，所述电流镜阵列包括n+1个P型场效应管MP0、MP1、…、MPn，和n个N型场效应管MN1、MN2、…、MNn；
各P型场效应管的栅极依次连接，各P型场效应管的源极均连接至电源，P型场效应管MP1、…、MPn的漏极与N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的漏极一一对应连接，P型场效应管MP0的漏极与基准电流源连接，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的源极依次连接后分别与光电探测器和预判积分电路连接，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的栅极作为电流镜阵列n条支路的输出端，与各自对应的锁存比较器连接。
进一步地，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的栅极与各自对应的锁存比较器的输出端连接。
进一步地，各所述锁存比较器的同相输入端依次连接，并通过开关Sp连接至所述预判积分电路中运算放大器的输出端；各所述锁存比较器的反相输入端分别接固定电压V1,V2,…,Vn。
进一步地，所述大动态范围读出电路对获取的光电流进行预判，得到预判电压，包括：
所述大动态范围读出电路基于预判电压积分公式对获取的光电流进行积分，得到预判电压；
所述预判电压积分公式具体为：
Figure BDA0003043503790000041
其中，Vout为预判电压，Cpre为预判电容，Cint为积分电容，idet(t)为光电探测器产生的随时间变化的光电流，Vref_int为偏置电压。
本发明提供了一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，通过对获取的光电流进行预判，得到预判电压；当预判电压大于预设临界电压，则根据预判电压确定补偿电流的大小并将补偿电流注入大动态范围读出电路，实现较大范围的光电流积分，提高读出电路的动态范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路的整体电路图。
图2为本发明一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路的具体电路图。
图3为本发明一实施例中的开关时序示意图。
图4为本发明一实施例中普通读出电路的积分电路图。
图5为本发明一实施例中普通积分电路的积分电压示意图。
图6为本发明一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路的积分电压示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本发明提供一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，包括：
对获取的光电流进行预判，得到预判电压；预判的光电流越大，得到的预判电压越大；
当预判电压大于预设临界电压，则确定预判电压对应的预设临界电压范围，并根据预判电压范围确定对应的补偿电流的大小，然后按照补偿电流的大小对大动态范围读出电路注入补偿电流，实现较大范围的光电流积分。
具体电路图如图1所示，包括预判积分电路01、量化比较电路02和电流补偿电路03。预判积分电路01工作在预判状态，将光电流转换为电压作为预判电压，预判工作结束；量化比较电路02接收预判积分电路01发送的预判电压后，对预判电压进行量化处理，确定预判电压对应的电压范围并作为量化结果输出。电流补偿电路03，获取量化比较电路输出的量化结果，并根据量化结果确定补偿电流的大小；将补偿电流注入到预判积分电路01中；预判积分电路01进入积分状态，并对光电流与补偿电流进行完全积分，获取积分结果输出。
本实施例通过注入补偿电流的方式提高动态范围，注入补偿电流可取光电流的一倍至多倍，此情况下可实现动态范围几个数量级的提高，实现对μA级甚至更高的电流的处理，基本可以满足光电探测器对读出电路大动态范围的需求。
进一步地，本实施例设定一个预设临界电压V0和若干个预判电压值V1,V2,…,Vn，上述设定的电压值之间满足关系V0<V1<V2<…<Vn。当预判电压小于等于预设临界电压V0时，则无法触发电流补偿电路，此状态下无补偿电流注入；当预判电压大于V0小于等于V1时，对应的注入补偿电流I0；当预判电压大于V1小于等于V2时，对应的注入补偿电流I1；依次类推，可以得到当预判电压大于等于Vn-1小于等于Vn时，对应的注入补偿电流In，电流值之间满足关系I0<I1<…<In。补偿电流的大小与光电探测器的光电流特性以及输出电压范围有关，在此不作具体限定。
对于在多个场景下工作的光电探测器，其响应光电流范围也较大，在采用如图4所示的普通积分电路时，由于该普通积分电路中用于积分的电容值有限，导致其对于较大的光电流范围，会出现积分电压过饱和，从而无法对光电流进行有效处理。通过本实施例提供的大动态范围读出电路对获取的光电流进行预判，得到预判电压，当预判电压大于预设临界电压，则根据预判电压确定补偿电流的大小并将补偿电流注入大动态范围读出电路，实现较大范围的光电流积分，以提高读出电路的动态范围。
进一步地，如图2所示，预判积分电路01包括运算放大器OPA、积分电容Cint、预判电容Cpre、复位开关ret和积分开关Sw。
其中，预判电容Cpre的作用为预判积分电路01工作在预判状态时对光电流进行积分，该预判电容的值较小，以实现对光电流的快速积分，积分电容Cint作用为对光电流加入补偿电流后的电流进行积分。
具体地，积分电容串联积分开关后与预判电容并联，并联之后与复位开关并联并连接在运算放大器的反相输入端和输出端，输出端连接至量化比较电路02上；运算放大器的同相输入端接入偏置电压，运算放大器的反相输入端连接至光电探测器idet(t)上。
量化比较电路02包括电流镜阵列和基准电流源，电流补偿电路03包括n个锁存比较器；基准电流源与电流镜阵列连接。电流镜阵列包括n条支路，每条支路上连接一个锁存比较器。
具体地，电流镜阵列包括n+1个P型场效应管MP0、MP1、…、MPn，和n个N型场效应管MN1、MN2、…、MNn。其中，各P型场效应管的栅极依次连接，各P型场效应管的源极均连接至电源，P型场效应管MP1、…、MPn的漏极与N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的漏极一一对应连接，P型场效应管MP0的漏极与基准电流源连接，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的源极依次连接后分别与光电探测器和预判积分电路01连接，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的栅极作为电流镜阵列n条支路的输出端，与各自对应的锁存比较器连接；n个锁存比较器通过对预判电压的比较，控制电流镜阵列对应的支路导通，以实现对不同的光电流进行电流补偿，当光电流较大时，依然能够实现对光电流的正确积分，避免了光电流过大时出现积分饱和，实现读出电路对较大范围的光电流进行处理的能力，提高了读出电路的动态范围。
各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的栅极与各自对应的锁存比较器的输出端连接。各锁存比较器的同相输入端依次连接，并通过开关Sp连接至预判积分电路01中运算放大器的输出端；各锁存比较器的反相输入端分别接固定电压V1,V2,…,Vn。
进一步地，本实施例中的上述开关根据图3所示的开关时序示意图工作。
进一步地，大动态范围读出电路对获取的光电流进行预判，得到预判电压，具体包括：大动态范围读出电路基于预判电压积分公式对获取的光电流进行积分，得到预判电压。
预判电压积分公式具体为：
Figure BDA0003043503790000081
其中，Vpre为预判电压，Cpre为预判电容，idet(t)为光电探测器产生的随时间变化的光电流，Vref_int为偏置电压。
如图4所示，为一种可用于光电探测器的普通积分电路，为了比较在相同大小积分电容的情况下，读出电路的输出电压值的大小，令积分电容C的值为Cpre+Cint。则此时输出电压表达式为：
Figure BDA0003043503790000082
其中，Vout1为普通积分电路的输出电压，Cpre为预判电容，Cint为积分电容。
当采用如图2所示的大动态范围读出电路时，输出电压满足：
Figure BDA0003043503790000091
其中，ic补偿电流。
Figure BDA0003043503790000092
所以大动态范围读出电路的输出电压表达式为：
Figure BDA0003043503790000093
假设此时光电流idet(t)的平均值大于(Cpre+Cint)·(VDD-Vref_int)/t，此时对于普通积分电路来说，其输出已经过饱和，其输出电压：
Figure BDA0003043503790000094
且对于更大的光电流其输出值依然为VDD，导致无法对更大的电流进行处理。
但是对于本发明提供的大动态范围电路，其可以通过调节补偿电流实现对光电流的积分输出，此时假设仅仅当n为1，其输出可满足：
Figure BDA0003043503790000095
此时输出Vout2＜VDD，显然本发明电路的输出依然未能饱和，仍然可以对更大的光电流进行处理。
图5为普通积分电路未进行电流补偿的积分电压示意图，其中，横坐标为预判积分电路01的时间，Tint为积分状态对应的工作时间，Vmax为饱和电压。通过图5可以明显的看到其在积分时间内，在积分未结束时积分电压已经出现饱和。
图6为本发明提供的大动态范围电路在经过电流补偿后的积分电压示意图，其中，横坐标为预判积分电路01的时间，Tpre为预判状态对应的工作时间，Tint为积分状态对应的工作时间，Vmax为饱和电压。通过图6可知，其积分电压在预判之后注入补偿电流，使得在积分结束其积分电压未出现饱和，实现了对光电流的积分，大大提高了动态范围。
综上所述，不难发现对比普通积分电路与本发明提供的大动态范围读出电路，对于输入相同的光电流时，会出现Vout1已经饱和，Vout2未饱和的情况，该结论可以验证本发明提供的大动态范围电路可以实现对较大范围的光电流处理，可得到较大范围的输出结果。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，包括：
对获取的光电流进行预判，得到预判电压；预判的光电流越大，得到的预判电压越大；
当所述预判电压大于预设临界电压，则确定所述预判电压对应的预设临界电压范围，并根据所述预判电压范围确定对应的补偿电流的大小，然后按照所述补偿电流的大小对所述大动态范围读出电路注入补偿电流，实现较大范围的光电流积分。
2.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，所述大动态范围读出电路包括预判积分电路(01)、量化比较电路(02)和电流补偿电路(03)；
所述预判积分电路(01)工作在预判状态，将光电流转换为电压作为预判电压，预判工作结束；
所述量化比较电路(02)接收所述预判积分电路(01)发送的预判电压后，对所述预判电压进行量化处理，确定所述预判电压对应的电压范围并作为量化结果输出；
所述电流补偿电路(03)，获取所述量化比较电路输出的量化结果，并根据所述量化结果确定补偿电流的大小；将所述补偿电流注入到所述预判积分电路(01)中；
所述预判积分电路(01)进入积分状态，并对光电流与补偿电流进行完全积分，获取积分结果输出。
3.根据权利要求2所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，所述预判积分电路(01)包括运算放大器、积分电容、预判电容、复位开关和积分开关；
所述积分电容串联积分开关后与所述预判电容并联，并联之后与所述复位开关并联并连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端，所述输出端连接至所述量化比较电路(02)上；所述运算放大器的同相输入端接入偏置电压，所述运算放大器的反相输入端连接至光电探测器上。
4.根据权利要求2所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，所述量化比较电路(02)包括电流镜阵列和基准电流源，所述电流补偿电路(03)包括n个锁存比较器；所述基准电流源与所述电流镜阵列连接；所述电流镜阵列包括n条支路，每条支路上连接一个锁存比较器。
5.根据权利要求4所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，所述电流镜阵列包括n+1个P型场效应管MP0、MP1、…、MPn，和n个N型场效应管MN1、MN2、…、MNn；
各P型场效应管的栅极依次连接，各P型场效应管的源极均连接至电源，P型场效应管MP1、…、MPn的漏极与N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的漏极一一对应连接，P型场效应管MP0的漏极与基准电流源连接，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的源极依次连接后分别与光电探测器和预判积分电路(01)连接，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的栅极作为电流镜阵列n条支路的输出端，与各自对应的锁存比较器连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，各N型场效应管MN1、MN2、…、MNn的栅极与各自对应的锁存比较器的输出端连接。
7.根据权利要求4所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，各所述锁存比较器的同相输入端依次连接，并通过开关Sp连接至所述预判积分电路(01)中运算放大器的输出端；各所述锁存比较器的反相输入端分别接固定电压V1,V2,…,Vn。
8.根据权利要求4所述的一种用于光电探测器中的大动态范围读出电路，其特征在于，所述大动态范围读出电路对获取的光电流进行预判，得到预判电压，包括：
所述大动态范围读出电路基于预判电压积分公式对获取的光电流进行积分，得到预判电压；
所述预判电压积分公式具体为：
Figure FDA0003043503780000031
其中，Vout为预判电压，Cpre为预判电容，Cint为积分电容，idet(t)为光电探测器产生的随时间变化的光电流，Vref_int为偏置电压。
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